Materyalê lîtyûm nîobata fîlma tenik û modulatorê lîtyûm nîobata fîlma tenik

Awantaj û girîngiya nîobata lîtyûmê ya fîlma zirav di teknolojiya fotonê ya mîkropêlê ya entegre de

Teknolojiya fotonê ya mîkropêlêxwedî avantajên bandfirehiya xebatê ya mezin, şiyana pêvajoya paralel a bihêz û windabûna veguhastinê ya kêm e, ku xwedî potansiyela şikandina tengasiya teknîkî ya pergala mîkropêlê ya kevneşopî ye û performansa alavên agahdariya elektronîkî ya leşkerî yên wekî radar, şerê elektronîkî, ragihandin û pîvandin û kontrolê baştir dike. Lêbelê, pergala fotonê ya mîkropêlê ya li ser cîhazên cihêreng hin pirsgirêkên wekî qebareya mezin, giraniya giran û aramiya nebaş hene, ku bi giranî sepandina teknolojiya fotonê ya mîkropêlê li platformên fezayî û hewayî sînordar dikin. Ji ber vê yekê, teknolojiya fotonê ya mîkropêlê ya entegre dibe piştgiriyek girîng ji bo şikandina sepandina fotonê ya mîkropêlê di pergala agahdariya elektronîkî ya leşkerî de û dayîna tevahî avantajên teknolojiya fotonê ya mîkropêlê.

Niha, teknolojiya entegrasyona fotonîk a li ser bingeha SI û teknolojiya entegrasyona fotonîk a li ser bingeha INP piştî salên pêşkeftinê di warê ragihandina optîkî de bêtir û bêtir gihîştiye, û gelek berhem hatine danîn bazarê. Lêbelê, ji bo sepandina fotona mîkropêlê, di van her du celeb teknolojiyên entegrasyona fotonan de hin pirsgirêk hene: mînakî, katsayiya elektro-optîkî ya ne-xêzik a modulatorê Si û modulatorê InP berevajî xêzika bilind û taybetmendiyên dînamîk ên mezin ên ku ji hêla teknolojiya fotona mîkropêlê ve têne şopandin e; Mînakî, guhêrbarê optîkî yê silîkonê ku guheztina rêya optîkî pêk tîne, çi li ser bingeha bandora termal-optîkî, bandora pîezoelektrîkî, an bandora belavbûna derzîkirina hilgir be, pirsgirêkên leza guheztina hêdî, xerckirina hêzê û xerckirina germê hene, ku nikare serîlêdanên skankirina tîrêjê ya bilez û serîlêdanên fotona mîkropêlê yên pîvana rêza mezin bicîh bîne.

Niobata lîtyûmê her gav ji bo leza bilind bijareya yekem bûye.modûlasyona elektro-optîkmateryalan ji ber bandora wê ya elektro-optîkî ya xêzikî ya hêja. Lêbelê, nîobata lîtyûmê ya kevneşopîmodulatorê elektro-optîkîji materyalê krîstala lîtyûm nîobata mezin hatiye çêkirin, û mezinahiya cîhazê pir mezin e, ku nikare hewcedariyên teknolojiya fotona mîkropêlê ya entegre bicîh bîne. Meriv çawa materyalên lîtyûm nîobata bi katsayiya elektro-optîkî ya xêzikî di nav pergala teknolojiya fotona mîkropêlê ya entegre de entegre dike, bûye armanca lêkolînerên têkildar. Di sala 2018-an de, tîmek lêkolînê ji Zanîngeha Harvardê li Dewletên Yekbûyî yekem car teknolojiya entegrasyona fotonîkî ya li ser bingeha lîtyûm nîobata fîlima zirav di Nature de ragihand, ji ber ku teknolojiyê xwedî avantajên entegrasyona bilind, bandfirehiya modûlasyona elektro-optîkî ya mezin, û xêzika bilind a bandora elektro-optîkî ye, gava ku hate destpêkirin, ew tavilê bala akademîk û pîşesaziyê di warê entegrasyona fotonîkî û fotonîk a mîkropêlê de kişand. Ji perspektîfa sepandina fotona mîkropêlê, ev gotar bandor û girîngiya teknolojiya entegrasyona fotonê ya li ser bingeha lîtyûm nîobata fîlima zirav li ser pêşkeftina teknolojiya fotona mîkropêlê dinirxîne.

Materyalê lîtyûm nîobata fîlma tenik û fîlma tenikmodulatorê lîtyûm nîobat
Di du salên dawî de, cureyekî nû yê materyalê lîtyûm nîobat derketiye holê, ango fîlma lîtyûm nîobat ji krîstala lîtyûm nîobat a mezin bi rêbaza "qutkirina îyonê" tê derxistin û bi qatek tamponê ya silîka ve bi wafera Si ve tê girêdan da ku materyalê LNOI (LiNbO3-On-Insulator) çêbike [5], ku di vê gotarê de jê re materyalê lîtyûm nîobat a fîlma zirav tê gotin. Rêberên pêlên xêzikî yên bi bilindahiya ji 100 nanometreyan zêdetir dikarin li ser materyalên lîtyûm nîobat a fîlma zirav bi pêvajoya gravkirina hişk a çêtirkirî werin gravkirin, û cûdahiya îndeksa refraksiyonê ya bi bandor a rêberên pêlên ku hatine çêkirin dikare bigihîje ji 0.8 zêdetir (ji cûdahiya îndeksa refraksiyonê ya rêberên pêlên lîtyûm nîobat ên kevneşopî ya 0.02 pir bilindtir), wekî ku di Wêne 1 de tê xuyang kirin. Rêberê pêlê yê bi tundî sînordarkirî dema sêwirandina modulator hêsantir dike ku zeviya ronahiyê bi zeviya mîkropêlê re were hevber kirin. Bi vî rengî, sûdmend e ku di dirêjahiyek kurttir de voltaja nîv-pêla kêmtir û bandfirehiya modulasyonê ya mezintir were bidestxistin.

Derketina holê ya rêberê pêlên submîkron ên lîtyûm nîobata kêm-windabûyî stûyê tengavîya voltaja ajotinê ya bilind a modulatorê elektro-optîk ê lîtyûm nîobata kevneşopî dişkîne. Mesafeya elektrodê dikare heta ~ 5 μm were kêmkirin, û hevgirtina di navbera qada elektrîkê û qada moda optîkî de pir zêde dibe, û vπ·L ji zêdetirî 20 V·cm dadikeve kêmtir ji 2.8 V·cm. Ji ber vê yekê, di bin heman voltaja nîv-pêlê de, dirêjahiya cîhazê dikare li gorî modulatorê kevneşopî pir kêm bibe. Di heman demê de, piştî çêtirkirina parametreyên firehî, stûrî û navberê elektroda pêla rêwîtî, wekî ku di wêneyê de tê xuyang kirin, modulator dikare xwedî şiyana bandwidtha modulasyonê ya ultra-bilind ji 100 GHz mezintir be.

Wêne 1 (a) belavkirina modên hesabkirî û wêneya (b) ya beşê xaçerêyî yê rêberê pêlê LN

Wêne 2 (a) Pêla rêber û avahiya elektrodê û (b) plakaya bingehîn a modulatorê LN

Berawirdkirina modulatorên lîtyûm nîobata fîlma zirav bi modulatorên bazirganî yên lîtyûm nîobata kevneşopî, modulatorên li ser bingeha silîkonê û modulatorên îndyûm fosfîd (InP) û modulatorên elektro-optîkî yên bilez ên heyî yên din, parametreyên sereke yên berawirdkirinê ev in:
(1) Berhema nîv-pêla volt-dirêj (vπ ·L, V·cm), pîvana karîgeriya modûlasyonê ya modulatorê, her ku nirx piçûktir be, karîgeriya modûlasyonê jî bilindtir dibe;
(2) firehiya modûlasyonê ya 3 dB (GHz), ku bersiva modulatorê li hember modûlasyona frekanseke bilind dipîve;
(3) Windabûna têketina optîkî (dB) di herêma modulasyonê de. Ji tabloyê tê dîtin ku modulatorê lîtyûm nîobata fîlma zirav di bandfirehiya modulasyonê, voltaja nîv-pêlê, windabûna interpolasyona optîkî û hwd. de xwedî avantajên eşkere ye.

Silîkon, wekî kevirê bingehîn ê optoelektronîka entegrekirî, heta niha pêşketiye, pêvajo gihîştiye, piçûkkirina wê ji bo entegrasyona mezin a cîhazên çalak/pasîf guncan e, û modulatorê wê di warê ragihandina optîkî de bi berfirehî û kûr hatiye lêkolîn kirin. Mekanîzmaya modûlasyona elektro-optîkî ya silîkonê bi giranî kêmkirina hilgir, derzîkirina hilgir û kombûna hilgir e. Di nav wan de, bandfirehiya modulatorê bi mekanîzmaya kêmbûna hilgir a pileya xêzikî çêtirîn e, lê ji ber ku belavkirina qada optîkî bi ne-yekrengiya herêma kêmbûna hev re li hev dikeve, ev bandor dê şertên xirabûna rêza duyemîn a ne-xêzik û xirabûna navberdana rêza sêyemîn, digel bandora vegirtinê ya hilgir li ser ronahiyê, ku dê bibe sedema kêmkirina amplîtuda modûlasyona optîkî û xirabûna sînyalê.

Modulatorê InP bandorên elektro-optîkî yên berbiçav hene, û avahiya bîrên kuantûmê ya pir-qatî dikare modulatorên rêjeya pir-bilind û voltaja ajotinê ya nizm bi Vπ·L heta 0.156V · mm pêk bîne. Lêbelê, guherîna endeksa şikestinê bi zeviya elektrîkê re termên xêzik û ne-xêzik vedihewîne, û zêdebûna şîdeta zeviya elektrîkê dê bandora rêza duyemîn berbiçav bike. Ji ber vê yekê, modulatorên elektro-optîkî yên silîkon û InP hewce ne ku dema ku dixebitin biasê bicîh bînin da ku girêdana pn çêbikin, û girêdana pn dê windabûna vegirtinê bîne ser ronahiyê. Lêbelê, mezinahiya modulatorê van herduyan piçûk e, mezinahiya modulatorê InP ya bazirganî 1/4ê modulatorê LN ye. Karîgeriya modulasyonê ya bilind, ji bo torên veguheztina optîkî ya dîjîtal a dendika bilind û dûrbûna kurt wekî navendên daneyan guncan e. Bandora elektro-optîkî ya lîtyûm nîobat mekanîzmayek vegirtina ronahiyê tune û windabûna wê kêm e, ku ji bo hevrêziya dûr û dirêj guncan e.ragihandina optîkîbi kapasîteya mezin û rêjeya bilind. Di sepandina fotona mîkropêlê de, katsayiyên elektro-optîkî yên Si û InP ne-xêzik in, ku ev yek ji bo pergala fotona mîkropêlê ne guncaw e ku li dû xêzikbûna bilind û dînamîkên mezin e. Materyalê lîtyûm nîobat ji bo sepandina fotona mîkropêlê pir guncaw e ji ber katsayiya wê ya modûlasyona elektro-optîkî ya bi tevahî xêzik.